Составители:
3
1. Введение
В зависимости от назначения и технических требований в современной аудиотехнике
аналого-цифровое преобразование (АЦП) аудио сигналов осуществляется на основе ис-
пользования четырех видов модуляции:
импульсно-кодовая модуляция с равномерным квантованием (линейная ИКМ),
импульсно-кодовая модуляция с неравномерным квантованием (с применением
компандерных систем),
дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ИКМ с предсказанием),
сигма-дельта модуляция (SDM).
Для улучшения отношения сигнал/шум (SNR) часто также применяется адаптивное
квантование.
Линейная ИКМ преимущественно используется в студийной технике звукозаписи, в
которой нет жестких ограничений в отношении допустимых скоростей цифровых пото-
ков, и главным является высокое качество преобразования. В такой технике обычно при-
меняются 22…24 разрядные АЦП с частотой дискретизации не ниже 48 кГц, стоимостью
от 10 до 100 тысяч долларов.
Сигма-дельта модуляция является современным развитием ИКМ с предсказанием. В
настоящее время она большей частью используется в массовой аппаратуре магнитной и
оптической записи/воспроизведения звука, в которой главным критерием качества явля-
ется технологичность массового производства и цена изделия. Число разрядов АЦП на
основе этой модуляции не превышает 1…5 бит, но частота дискретизации может дости-
гать 10…20 МГц, цена такого АЦП не превышает 1 доллара. Аналого-цифровое преобра-
зование на основе SDM быстро совершенствуется, динамический диапазон расширяется
до 100…120 дБ, благодаря чему становится возможным использовать его и в студийной
технике.
Работа SDM основывается на двух принципах. Первое, уменьшение числа разрядов в
кодовом слове без ухудшения SNR за счет увеличения частоты дискретизации. Второе,
как следствие, увеличение частоты Найквиста далеко за пределы звукового диапазона и
перенесение в эту область спектра шумов квантования. Это обеспечивает высокое зна-
чение SNR в звуковом диапазоне даже при одноразрядном квантовании.
Компандерные системы и дифференциальная ИКМ, как правило, используются в тех-
нике передачи звуковых сигналов по цифровым каналам связи, в которых главным явля-
ется уменьшение скорости цифровых потоков. При этом речевой сигнал передается с ис-
пользованием 8-разрядного кодирования с частотой дискретизации 8 кГц при скорости
цифрового потока 64 или 32 Кбит/с. При передаче вещательных сигналов число разрядов
увеличивается до 10…12, и частота дискретизации повышается до 22,05, 44,1 или 48 кГц.
При этом скорость цифрового потока составляет 128 или 256 Кбит/с.
В компандерных системах для сокращения скорости цифрового потока на пере-
дающей стороне компрессор производит сжатие динамического диапазона звуковых сиг-
налов, а на приемной стороне с помощью экспандера производится восстановление ди-
намического диапазона. При этом сокращение скорости цифрового потока достигается за
счет неравномерного квантования, при котором чем выше уровень сигнала, тем больше
величина шага квантования. При использовании дифференциальной ИКМ для сокраще-
ния скорости цифрового потока кодируется и передается в тракт только разностный сиг-
нал между текущим и предсказанным значениями звукового сигнала. Таким образом в
обеих системах снижение скорости цифрового потока достигается за счет уменьшения
статистической избыточности аудиосигналов. Поэтому такие способы аналого-цифрового
преобразования можно назвать статистическим компрессированием звуковых сигналов.
